A fedélzeti járműrendszerek növekvő energiafogyasztása lehetőséget ad az új technológiáknak, hogy megragadják a lehetőséget, hogy a jövőben radikálisan megváltoztassák a katonai járművek teljesítményét és mobilitását
Tekintettel arra, hogy az amerikai hadsereg következő generációjának valószínűleg hibrid erőműve lesz, az iparnak nagyszabású programra van szüksége ahhoz, hogy a már kifejlesztett energetikai technológiáit (az elkerülhetetlen módosításokkal együtt) bevezesse. harci járművek nagy része. Légyszárny ebben a mézes hordóban azonban az, hogy a jelenlegi tervek szerint a hadsereg 2035 körül tervezi az ilyen járművek átvételét. A konfigurációval kapcsolatos nagy döntéseket nagy valószínűséggel nem fognak meghozni 2025 előtt, hacsak a megfelelő programokat nem gyorsítják be Trump elnökségébe.
A hatalmas igények kiváló ösztönzést jelentenek az új technológiák kifejlesztésére, amelyek viszont megoldásokat nyújthatnak ezeknek az igényeknek a kielégítésére. Például a harctéren egyre növekvő villamosenergia-igény párosul az üzemanyag-ellátással járó logisztikai terhek csökkentésének, valamint a harci erők és harci támogató erők terepjáró képességének növelésével. Mindez meggyőző bizonyíték a segédhajtóművek, az intelligens motorvezérlők és a hibrid elektromos hajtás széles körű elterjedése mellett, és ennek eredményeként a külső fogyasztók számára termelt teljesítmény hirtelen megnövekedése mellett.
Leküzdeni a tehetetlenséget
A BAE Systems nagy tapasztalattal rendelkezik a különböző katonai struktúrák számára készült hibrid járműtechnológiai bemutatók gyártásában és a hibrid buszok gyártásában a polgári szektor számára, és jó helyzetben van ahhoz, hogy pontosan felmérje, hol tart ez a technológia ma, és milyen kilátásokkal rendelkezik. Ugyanez vonatkozik a DRS Technologies -ra is, amely szintén számos demonstrációs projektben vett részt. Tom Weaver, a DRS Network Computing and Test Solutions kereskedelmi igazgatója elmondta, hogy a piac még fejlődőben van, és az elektromos járművek előnyei még nem győzték le a hagyományos járművek tehetetlenségét. Az ilyen tehetetlenség negatív hatást gyakorol a külső fogyasztók számára szükséges áramot előállító gépek fejlődésére, annak ellenére, hogy az elmúlt évtizedben "legalább 100%-kal" megnövekedtek az igények.
„A DRS különböző ügyfelekkel dolgozik, hogy különböző teljesítménytesztekben bemutassa az integrált új technológiákkal rendelkező gépeket. A sikeres demonstrációk és a pozitív felhasználói értékelések nem vezettek ilyen járművek csapatokba történő bevetéséhez, ráadásul a velük szemben támasztott követelményeket sem alakították ki. A kereslet azonban tovább fog növekedni, különösen az expedíciós műveletek és a speciális járművek, például az irányított energiafegyver -rendszerek iránt.”
A DRS most fedélzeti energiaellátó rendszert kínál a közepes taktikai járművek (MTV) és a HMMWV berendezések számára, az Allisonnal együttműködésben kifejlesztett sebességváltó integrált generátor formájában. Ez a rendszer, például egy MTV teherautóra szerelve, akár 125 kW teljesítményt termel a fedélzeti vagy külső rendszerekhez. A vállalat más energiagazdálkodási rendszereket is gyárt különböző járművekhez. Andrew Rosenfield, az ilyen rendszerekkel is foglalkozó BAE Systems főmérnöke úgy véli, nem valószínű, hogy a tisztán elektromos járműveknek nagy szerepe lesz a földi harcban, elsősorban az akkumulátorok újratöltése miatt.
„Míg a teljesen elektromos működéshez szükséges hajtáslánc-technológia jól megalapozott, a tankolási probléma megakadályozhatja a tisztán elektromos járművek üzembe helyezését”-folytatta. "Végül is a dízel a világon bárhol elérhető, miközben a sivatagban nagyon nehéz akkumulátortöltő állomást találni, de még ha talál is egyet, valószínűleg nem kivitelezhető, ha nyolc órát vár, amíg teljesen feltöltődik."
Weaver egyetértett abban, hogy valószínűleg hibrid autók fognak érvényesülni, megemlítve a tiszta elektromos autók töltési infrastruktúrájának korlátait, valamint a dízel és a JP8 sugárhajtómű mindenütt jelenlétét. Rosenfield azonban hangsúlyozta, hogy a tisztán elektromos járművek nagy szerepet játszhatnak a katonai bázisokon, mivel árukat mozgathatnak, mint a modern gyárakban vagy a repülőtereken (repülőtéri traktorok). "Az üzemanyagcellás gépek nagy valószínűséggel képesek lennének ilyen feladatok ellátására, mivel szabad hozzáférést igényelnek a hidrogénkészletekhez" - mondta.
Weaver úgy véli, hogy nehéz út áll az üzemanyagcellás járművek előtt. „Először is, még nincs hidrogéngáz -infrastruktúra, és bizonyos bizalmatlanság lesz az új üzemanyag bevezetésével kapcsolatban. Az ilyen járművek útja jól szervezett expedíciós műveletekkel kezdődik."
A hibrid kivitel is kifinomultabb, mint a tisztán elektromos kivitel, és számos olyan tulajdonsággal rendelkezik, amelyek vonzóbbá teszik őket, mint a tisztán elektromos és hagyományos hajtású gépek. „Először is, a hibrid elektromos platformok ugyanazt az üzemanyagot használják, mint a hagyományos dízel járművek. Másodszor, az alacsony fordulatszámú nyomaték ideális olyan gépekhez, amelyek durva terepen haladnak, vagy nagyon meredek lejtőn másznak."
Hozzátette, hogy a fedélzeten nagy mennyiségű áram előállításának képessége egyre fontosabbá válik, mivel új képességeket, például erős lézereket használó kommunikációs és fegyverrendszereket telepítenek. Az energia exportálásának képessége is óriási előny, mivel ezek a gépek olyan lakott területeket és kórházakat láthatnak el árammal, amelyek saját energiaellátó rendszerét megsemmisítették a harci vagy természeti katasztrófák.
"Végül a jelentős üzemanyag-megtakarítással és nagyobb megbízhatósággal járó csökkentett üzemeltetési és karbantartási költségek okos és hosszú távú választást tesznek lehetővé."
Mint Weaver megjegyezte, a harci járművek fedélzetén az elektromos energia iránti kereslet soha nem csökkent, évről évre csak növekedni fognak. "Az újabb funkcionális rendszerek egyre több energiát igényelnek a hordozóplatformtól, valamint a jelenlegi járművek áramfejlesztő és -elosztó rendszereinek folyamatos fejlesztését."
„Miután hozzáadott olyan funkciókat, mint a csendes mozgás, radar, fejlett kommunikáció, jelzavarás és elektromágneses páncélzat vagy fegyverzet, a platform lemarad, és kezelhetetlenné válik anélkül, hogy hibrid elektromos rendszerre váltana. A következő évtizedben minden harci jármű esetében az egyik legfontosabb alkotóelem az lesz, hogy képes legyen nagy mennyiségű áramot előállítani a fedélzeten."
„Az elektromos meghajtású járműveknek ugyanolyan jól kell teljesíteniük a dolgukat, vagy még jobban, mint hagyományos mechanikus társaiknak” - folytatta. „A motoros rendszerek nemcsak lényegesen egyszerűbbek és kevesebb mozgó alkatrészük van, mint a motoros rendszerek, de gyakran meglepően jó redundanciájuk van, ami megbízhatóbbá teszi őket. Például a legtöbb keresztirányú elektromos sebességváltó normálisan működhet egyetlen meghibásodott motorral."
Weaver elmondta, hogy a tömegközlekedésben ápolt kulcsfontosságú technológiák már megvannak, és készek a piacra lépni. "A hibrid és elektromos áramkörök széles körű alkalmazása, különösen a helyközi buszokban és villamosokban, olyan motorvezérlők, inverterek és átalakítók kifejlesztéséhez vezetett, amelyek közel állnak a katonaság igényeihez" - mondta. „Az ipar minden igénye az, hogy az ügyfelek hajlandóak legyenek fizetni a minősítési folyamatért, és elegendő ahhoz, hogy a költségeket alacsonyan tartsák.”
Addig is folytatódik a munka a demonstráción. A General Motors (GM) 2016 októberében az AUSA-n bemutatta Chevrolet Colorado ZH2 üzemanyagcellás járművének „készen álló” változatát, amely egy hosszúkás, közepes méretű pickup alvázra épül. Az ütemterv szerint a Colorado ZH2 a TARDEC páncélozott kutatóközpont közreműködésével 2017 -ben "extrém működési körülmények között" katonai teszteken fog részt venni.
Ez egy gyorsított program volt. A GM és a TARDEC együtt dolgoztak, hogy a szerződés aláírása után kevesebb mint egy év alatt demót készítsenek. „Nagyon gyors az innovatív ötletek bemutatása és értékelése, ezért az iparági kapcsolatok annyira fontosak a hadsereg számára” - mondta Paul Rogers, a TARDEC igazgatója. "Az üzemanyagcellák jelentősen növelhetik a katonai járművek képességeit a csendes működés, a külső fogyasztók számára történő energiatermelés és a stabil nyomaték révén - mindezek az előnyök alaposabban felderítik ezt a technológiát."
"A ZH2 lehetővé teszi a hadsereg számára, hogy demonstrálja és felmérje az üzemanyagcellás technológia katonai alkalmazásokra való felkészültségét, ugyanakkor válaszoljon arra a kérdésre, hogy mennyire hasznosak lehetnek az üzemanyagcellás elektromos járművek bizonyos körülmények között és bizonyos harci feladatokban" - mondta Doug Hallo. a TARDEC szóvivője.
A várható előnyök, amelyeket a TARDEC-nek értékelnie kell, többek között a csendes működés, amely lehetővé teszi a csendes felügyeletet, a csökkent hőmérsékleti jeleket, a nagy keréknyomatékot minden sebességnél, az alacsony üzemanyag-fogyasztást a teljes működési tartományban és az ivóvizet, mint kémiai mellékterméket.. A Colorado ZH2 rendelkezik beépített erőátvitellel a külső fogyasztók számára.
A meghajtórendszer protoncserélő membrán üzemanyagcellákon alapul, amelyek akár 93 kW egyenáramot is képesek előállítani, valamint egy akkumulátoron, amely további 35 kW -ot biztosít a hajtómű számára, és feltöltődik a regeneratív fékezés során. Ezt magyarázza Christopher Kolkit, a GM ZH2 projektmenedzsere.
„A jármű tartályai körülbelül 4,2 kg sűrített hidrogént tartalmaznak 10 000 psi nyomáson, ami több mint 689 -szerese a légköri nyomásnak. A légköri levegő az elektrokémiai folyamathoz szükséges oxigénforrás, amelynek eredményeként a szükséges villamos energia keletkezik; csak vízgőz szabadul fel” - jegyezte meg.
Minden elektromos meghajtó rendszer esetében az energia szállítása a forrásból a kerekekhez könnyebb, mint a hagyományos járműveknél. „A ZH2 -nek nincs átvitele a szó szokásos értelmében. Az egyfokozatú sebességváltóval ellátott váltóáramú vontatómotor közvetlenül a sebességváltóhoz és a négykerék-meghajtó rendszerhez továbbítja a nyomatékot”-magyarázta Kolkit.
Hordozható infrastruktúra
Ezen a programon keresztül a TARDEC Központ azt is vizsgálja, hogy mi lehet legalább részleges megoldás a hidrogén -rendelkezésre állás (infrastruktúra) problémájára. Megoldásának itt kedvez az a tény, hogy ezt a kémiai elemet különböző módon lehet előállítani különböző forrásokból. A TARDEC Központ képviselője szerint a ZH2 projekten végzett munka kezdeti szakaszában az ötlet az, hogy sűrített hidrogént nyerjenek a JP8 légi kerozin reformálása során egy hordozható reformátorban, amelyet minden teszthelyre áthelyeznek a gépet, mert ez növeli a megoldottak számát a feladatok ezen szakaszában.
"Jelenleg egy olyan reformátor létrehozását tervezzük, amely különféle, helyben rendelkezésre álló forrásokat, például földgázt, JP8 sugárhajtóművet, DF2 -dízel vagy propánt használhat fel hidrogén előállítására" - mondta. - A helyi elektromos hálózatok, beleértve az esetlegesen megújuló energiaforrásokat, valamint a vízkészleteket is felhasználhatók hidrogén előállítására. Ez lehetővé tenné a hadsereg számára, hogy csökkentse az adott műveleti színházba szállított üzemanyag mennyiségét, és támaszkodjon a színházban rendelkezésre álló eszközökre."
Akár akkumulátorokról, akár üzemanyagcellákról, akár vegyes dízel-villamos erőművekről van szó, mint az elsődleges hajtómű, az elektromos áram előremenő hajtássá alakítása megbízható és hatékony elektromos hajtásokat igényel. A brit Magtec cég elektromos hajtásrendszereket gyárt a repülőgépipar, a tengeri és az autóipar számára, például számos lehetőséget kínálva a haszongépjárművek új meghajtórendszerekkel történő átalakítására.
A vállalat azonban teljes hajtásláncokat is kifejlesztett lánctalpas és kerekes platformokhoz, hogy bemutassa a BAE Systems Hagglunds által a brit és svéd védelmi ügynökségek számára a 2000 -es évek elején gyártott hibrid technológiákat.
A SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform) platformokhoz, kerekes 6x6-os és lánctalpas, a vállalat kifejlesztett kerekes kerékagymotorokat (motor-kerekeket), köztük kétfokozatú reduktorral és fékrendszerrel, ikergenerátorokkal, vezérlőberendezésekkel és áramelosztással. A SEP számára kifejlesztett, telepített és tesztelt olyan szoftvereket is, amelyek vezérlik a kulcsfontosságú funkciókat, például az erőelosztást, a kipörgésgátlót, az elektronikus differenciálzárakat és a kormányzást, amely lehetővé teszi a gép helyben történő bekapcsolását. Ezenkívül ez a rendszer megfelel minden katonai EMC és környezetvédelmi előírásnak.
A Magtec vezérigazgatója elmondta, hogy jó növekedési potenciált lát az elektromos járművek számára, amelyek kiterjedt hatótávolsággal rendelkeznek a harci támogató küldetésekhez. Ugyanakkor az új technológiák hozzájárulnak a mobilitás jelentős javulásához, az üzemanyag -fogyasztás csökkenéséhez, a nagyobb redundanciához, valamint lehetővé teszik az eredeti elrendezési döntések meghozatalát. Azt is megjegyezte, hogy az elektromos hajtás egyszerűsíti a távvezérlés és az autonómia megvalósítását.
A szükséges technológiák továbbfejlesztésével kapcsolatban megjegyezte, hogy a hajtásrendszerek készek a piacra lépni a szilícium -karbid félvezető áramkörökön alapuló továbbfejlesztett teljesítményelektronikával (a hajtások vezérlésére). Szükségük van az új generációs elektromos rendszerek nagyfeszültségének szabályozására. A Magtec igazgatója megjegyezte, hogy az a 24 volt, amelyen a legtöbb modern rendszer működik, jelenleg túl alacsony a fő villamosenergia -fogyasztók számára (a feszültségnövekedés lehetővé teszi, hogy több áramot továbbítsanak a kábeleken anélkül, hogy túlzottan növelnék az áramot).
A terület egyik vállalata, a GE Aviation 2,1 millió dolláros szerződést nyert szilícium -karbid teljesítményű elektronika fejlesztésére és bemutatására. Egy 18 hónapos fejlesztési programot követően a vállalat várhatóan bemutatja szilícium-karbid fém-oxid FET technológiájának előnyeit gallium-nitrid eszközökkel kombinálva egy 15 kW-os, 28/600 voltos kétirányú DC / DC átalakítóban.
A vállalat szerint ez a berendezés kétszer annyi energiát képes kezelni, miközben a térfogat felét foglalja el a jelenlegi szilícium teljesítményű elektronikához képest, míg az átalakítók párhuzamosan dolgozhatnak és programozhatók a CAN szabványnak megfelelően.
A vállalat a TARDEC új generációs járműenergia-architektúráját fejleszti, amely zavaró technológiának nevezi, és reméli, hogy egy technológiai bemutató 2017 közepére elkészül.
Dupla sebesség
Egy másik áttörő technológia a DARPA Defense Advanced Research Projects Agency GXV-T (Ground X-Vehicle Technology) projektje, amelyben az elektromos rendszerek jelentős szerepet játszanak. A projekt célja a felére csökkenteni az ígéretes páncélozott járművek legénységének méretét, súlyát és létszámát, megduplázni sebességüket, a terep 95% -os leküzdési képességét, valamint csökkenteni a láthatóság jeleit.
2016 júliusában a DARPA 2,7 millió dolláros befektetést adott a Qinetiq-nek, hogy finomítsa a GXV-T projekt elektromos hajtásrendszereinek technológiáját. A vállalat ezt a technológiát kompakt és rendkívül nagy teljesítményű elektromos motorokként írja le a kerekekben, amelyek különböző sebességváltókat, differenciálműveket és hajtótengelyeket cserélnek. A vállalat szerint ez a megközelítés drámaian csökkenti a platform teljes súlyát, és új tervezési lehetőségeket nyit meg, amelyek javítják a biztonságot és a teljesítményt.
A Qinetiq hangsúlyozza, hogy az új koncepciókban, például a GXV-T-ben való alkalmazása mellett ez a technológia javíthatja a meglévő járművek képességeit az utólagos felszerelések során. Például egy agykerék-hajtással vagy motorkerékkel korszerűsített, többkerekű gyalogjármű előnyeit élvezheti a megnövelt teljesítmény és mobilitás, amelyet a súlymegtakarítás biztosít, vagy fordítva, ezeket a megtakarításokat a védelem javítására, a felszerelések felszerelésére vagy az utaskapacitás növelésére használhatja fel."
A beruházást 2015 szeptemberében meghirdetett szerződés követte, amelynek értelmében a koncepciót valódi dizájnná alakítják és tesztelik, majd két teljes körűen működő prototípust gyártanak.
"A hagyományos hajtóművek meglehetősen nehézek, korlátozott kapacitásúak és olyan alkatrészekből állnak, amelyek halálos lövedékké válhatnak, ha egy bánya felrobbantja őket" - mondta a szerződést a Qinetiq kutatási vezetője. "A hajtóművek kerekekre helyezése megszünteti ezt a fenyegetést, és megtöri azt a tendenciát, hogy a járművek nehezebbek és kevésbé mozgékonyak lesznek a fokozott védelem és a fegyverek ereje miatt."
A nem meghajtó alrendszerek villamosításából a meglévő gépek is profitálhatnak. Például a német Jenoptik cég 126 elektromos tornyot és fegyver stabilizáló rendszert szállít a lengyel Leopard 2PL tartálykorszerűsítési programhoz. A vállalat szerint az elektromos rendszerek kicserélik a tartály hidraulikus rendszereit, ezáltal csökkentve a karbantartást és a hőtermelést.
A szállítások 2017-2020 között esedékesek, a lengyel Bumar Labédyvel 2016 októberében aláírt 23 millió dolláros szerződés alapján. Ugyanez a Bumar Labedy cég együttműködési megállapodást írt alá a tartályok korszerűsítéséről a német Rheinmetall céggel 2017 februárjában.
A Jenoptik egyik tevékenysége kompakt, stabilizált fegyver / érzékelő platformok, tornyok és fegyverek meghajtórendszerei, valamint páncélozott járművek látómezejét stabilizáló tükrök fejlesztése és gyártása.
Például a nagy fegyverrendszerekhez használt pisztoly- és toronyhajtórendszer vízszintes és függőleges vezetésű villanymotorokból áll, amelyek a fő- és tartalékvezérlő egységek jeleitől függően azimutban, illetve magasságban irányítják a fegyvert. Mindkét meghajtó tartalmaz abszolút pozicionáló kefe nélküli szinkronmotorokat, nulla hézaggal mindegyik motor kimeneti fogaskereke és a fegyveres szerelvény fogas szektora között.
A rendszer, amely 28 és 610 voltos egyenfeszültségű tápfeszültséggel képes működni, képes a pisztolyt minden síkba dobni akár 60 ° / s vagy 0,2 mrad / s -nál lassabb sebességgel.
A hajtásvezérlő egység az érzékelők, vezérlők és az aktív látómező bemeneti jeleinek megfelelően átalakítja az áramellátást egy pár háromfázisú rendszerré, egy-egy a torony és a fegyvervezetés, a stabilizálás és a szervomotorok számára.
Az IDTechEx kutatócég tavalyi jelentése szerint a globális járművek villamosítási piaca 300 milliárd dollár értékű lesz 2026 -ra. Ez a növekedés, amelyet az elektromos motorvezérlők járművönkénti számának növekedése okoz (mivel a kormány, a felfüggesztés és más korábban mechanikus, pneumatikus és hidraulikus alkatrészek felváltják az elektromos rendszereket), technológiai alapot teremt a tömegpiac számára, és ezáltal csökkenti költségeiket katonai járművekhez.
